망막색소변성증의 유전자 연구
Genetic Study of Retinitis Pigmentosa

질병관리본부 유전체센터 형질연구과            
김광중           
  

Ⅰ. 들어가는 말
  망막색소변성증(Retinitis pigmentosa)은 가장 흔한 유전성 망막질환 중의 하나이며, 10대부터 야맹증이 시작되어 점차적인 시야협착 및 시력상실로 인해 결국에는 실명에 이르는 질환이다. 발병률은 인종에 따라서 약간의 차이는 있지만, 세계적으로 약 4,000-5,000명 중의 한명 비율로 환자가 나타나고 있으며, 상염색체 유전인 경우 성별에 따른 발병률의 차이는 거의 없는 것으로 알려져 있다. 망막색소변성증은 매우 다양한 유전자의 돌연변이에 의해 발생하게 되는데, 시각세포 내에서 빛을 전기신호로 전환하는 기전에 관여하는 유전자의 결함이 원인인 경우가 많으며, 이들 유전자의 이상이 광범위한 망막의 변성을 일으키게 된다[1, 2].
  망막(retina)은 눈의 가장 안쪽에 위치하며 여러 가지 신경세포들로 이루어진 얇은 층이다. 망막은 눈으로 들어온 빛을 전기적 신호로 바꾸는 역할을 하며 이 신호가 시신경을 따라 뇌에 전달된다. 망막은 크게 시각 세포와 신경교세포(glial cell)로 이루어진 감각신경망막층(neurosensory retina)과 망막색소상피층(retianl pigment epithelium; RPE)으로 구성되어 있다. 시각세포와 망막색소상피층은 밀접한 관계를 유지하는데, 망막색소상피층은 시각세포들의 대사산물인 노폐물을 처리하여 혈관으로 배출하고 동시에 혈관으로부터 영양분을 시각세포들에 공급해준다. 시각세포에는 막대세포(rod cell)와 원뿔세포(cone cell)가 있다. 막대세포는 주로 어두운 곳에서 명암을 구별하고 주변시야를 볼 수 있게 해, 원추세포는 밝은 곳에서 색을 구별하고 중심시야를 선명하게 볼 수 있게 한다. 막대세포는 망막의 전체 영역에 걸쳐 고르게 분포하는 반면, 원뿔세포는 주로 망막의 중심부인 황반부에 몰려있다.
  망막색소변성증은 유전자 이상에 의해 막대세포와 원뿔세포가 점차적으로 파괴되어 망막에 색소가 침착되며, 막대세포가 원뿔세포 보다 먼저 손상을 입는 것으로 알려져 있다. 어두운 곳에서 시각을 담당하는 막대세포의 손실이 시작되면 야맹증이 나타나게 되며, 시야의 바깥 부분을 볼 수 없게 되므로 시야가 좁아져서 마치 작은 망원경으로 사물을 보는 것처럼 보인다. 시각세포의 파괴가 원뿔세포까지 진행되면 중심시야도잃게 되어 완전한 실명에 이르게 된다(Figure 1)[1, 2]. 전형적인 망막색소변성증의 경우 대개 10-20세에 증상이 나타나며, 상염색체 열성으로 유전된 경우에는 10세, 상염색체 우성으로 유전된 경우에는 약 20-30세에 증상이 시작되는 것으로 알려져 있다. 유전의 형태에 따라 질병이 나타나는 시기와 증상은 다르지만, 60-80% 이상에서 보통 20세 이전에 야맹증이 나타나며, 그밖에 백내장, 녹내장, 원추각막, 근시, 유리체 혼탁 등이 동반되기도 한다[3].
  망막색소변성증의 근본적인 치료 방법은 없으나, 진행속도를 늦추고 일상생활에 미치는 불편함을 줄이기 위해 루테인이나 오메가-3 같은 보조제 치료가 이용되고 있다. 루테인은 우리 눈의 황반부를 이루는 주된 시각 색소로 나이가 들면서 감소하는 것으로 알려져 있으며, 오메가-3는 시각세포의 세포막을 이루는 주된 성분이다. 이 두 성분의 섭취가 유전성 망막질환의 진행을 늦출 수 있다는 연구결과가 발표되었다. 망막색소변성증 환자는 안과 망막전문의에게 꾸준하게 관리를 받으며 저하된 시력을 가지고 독립적으로 살아가는 방법을 익히는 것이 중요하다. 환자와 가족 모두를 위해 유전상담을 받는 것이 도움이 될 수 있는데, 유전상담이란 환자와 가족에게 유전질환의 증상, 경과과정 및 예후, 어떻게 유전되는지 등에 대한 정보를 제공하는 것이다. 이 과정을 통해 유전학 전문가로부터 질환과 관련된 올바른 정보를 얻고, 충분히 이해함으로써 환자와 가족이 질환에 적절하게 대처할 수 있도록 도움을 준다.
  본 글에서는 망막색소변성증 환자 및 질환가계를 이용한 유전체분석을 통해 한국인에서 자주 나타나는 망막색소변성증의 원인 돌연변이를 찾고, 질병의 조기진단 체계를 구축함으로써, 적절한 조치를 통한 질병의 발생 및 진행을 지연시키고 환자의 삶의 질을 향상시키기 위한 연구방법과 진행현황에 대하여 이야기 하고자 한다.

Ⅱ. 몸 말
1. 망막색소변성증의 유전
  망막색소변성증 환자의 절반 이상은 가족력이 없는 단독(sporadic)환자 이며, 이는 체세포 돌연변이(somatic mutation)에 의해 발생하는 것으로 추측하고 있다. 망막색소변성증의 유전양식은 매우 다양하게 나타난다. 망막색소변성증 질환가계 중에서 상염색체 열성유전이 전체의 50-60%로 가장 많은 비중을 차지하며, 상염색체 우성유전이 30-40%, X염색체 유전이 5-15%를 차지한다(Table 1). 지금까지 적어도 40개 이상의 유전자가 망막색소변성증과 관련된 것으로 보고되었으며, 이들 유전자들은 막대세포 내에서 광자전달(phototransduction), 비타민A 대사(vitamin A metabolism), splicing, 유전자조절(gene regulation) 등을 포함한 다양한 기능을 수행하고 있다[1, 2].

망막색소변성증과 관련된 돌연변이는 인종에 상관없이 공통적으로 발견되는 것도 많지만 인종과 지역에 따라 유무 및 빈도가 다르게 나타나는 것도 있는데, 이러한 현상은 창시자효과(founder effect)에 의해 나타나게 되며, 유럽계 백인들에게서만 주로 발견되는 로돕신 유전자의 Pro23His 돌연변이가 대표적인 예라 할 수 있다[4].

2. 국내-외 연구현황
  그 동안 한국인에서는 망막색소변성증의 관련자료가 충분하지 않아, 발병률이나 유전양식 등이 다른 인종에서의 조사결과와 유사할 것으로 추측해 왔다. 2006년부터 질병관리본부와 서울대학교 안과학교실은 망막색소변성증에 대한 협력연구를 수행하여 왔으며, 환자 및 질환가계시료의 수집과 임상자료 축적을 바탕으로 유전자 분석을 진행해 오고 있다. 이 연구를 통해 서울대학교에서는 국내에서 처음으로 한국인의 망막색소변성증 환자의 유전양식과 임상적 특징에 관한 보고서를 발표하였다. 2010년 대한의학회지에 발표한 “한국인의 망막색소변성증 유전과 임상적 특성”이라는 보고서에서 365명의 망막색소변성증 환자를 분석한 자료를 보면, 가족력이 없는 단독환자가 62%로 가장 많은 수를 차지하였으며, 가족력이 있는 경우에서는 열성유전(17%), 우성유전(12%), X염색체유전 (9%) 순으로 나타났다[5]. 이는 외국의 조사결과와 크게 다르지 않으며, 단독환자의 일부는 가족력이 확인되지 않은 열성유전일 것으로 추측하고 있다 (Table 2).

  망막색소변성증을 일으키는 대부분의 유전자들은 전체 망막색소변성증의 발생원인 측면에서 보면 아주 작은 비중을 차지하고 있지만, USH2A(열성유전), 로돕신(우성유전, RHO), 그리고 RPGR(X염색체유전) 유전자는 전 세계 환자들에서 공통적으로 많이 발견되는 원인유전자이다. 특히 로돕신 유전자는 우성유전되는 망막색소변성증의 약 25%를 차지하고 있으며, 열성유전되는 망막색소변성증에서도 보고되어 있다. 현재까지 백개가 넘는 로돕신 유전자의 돌연변이가 망막색소변성증과 관련된 것으로 보고되어 있으며, 지속적으로 다양한 인종에서 새로운 돌연변이 발굴연구가 이루어지고 있다.
  질병관리본부 유전체센터에서는 한국인 망막색소변성증 환자에게서 자주 나타나는 로돕신 유전자의 돌연변이를 찾기 위해, 총 302개 질환가계에 대하여 염기서열분석을 통한 돌연변이 발굴연구를 수행하였다. 그 결과 6개 질환가계로부터 5 종류의 질병유발 돌연변이를 발굴하였으며, 이 결과를 돌연변이가 발견된 환자의 임상적 특징과 함께 국제학술지에 발표하였다(Table 3)[6].

  이어 여러 종류의 망막색소변성증 돌연변이를 동시에 대량으로 분석하기 위한 연구를 진행하였다. 최근 눈부시게 발전한 DNA 칩 기술을 이용하여 망막색소변성증 돌연변이를 한 번에 분석할 수 있는 방법을 시험하였다. 국제학술지 등을 통해 보고된 망막색소변성증의 원인 돌연변이들 중에서, 세계적으로 발생 빈도가 높거나 아시아인에서 보고된 돌연변이를 우선적으로 고려하였으며, 총 96개의 돌연변이로 구성된 DNA 칩을 제작하였다(Figure 2). 한국인 망막색소변성증 질환가계를 대상으로 이들 돌연변이들에 대한 빈도를 분석하였으며, 다른 인종에서의 연구사례들과 비교하여 한국인 질환가계에서 자주 나타나는 돌연변이를 찾고자 하였다. 이 연구를 통하여 이미 보고된 로돕신 유전자를 비롯한 5개의 유전자에서 9개의 질병관련 돌연변이를 확인하였으며, 이 결과는 향후 한국인 망막색소변성증 진단칩 개발 및 유전상담에 활용될 예정이다.
                  
  원인유전자 및 돌연변이가 다양하게 나타나는 질병에 대한 효과적인 진단 시스템을 구축하기 위하여, 가장 우선적으로 수행되어야 할 작업은 한국인에서 주로 나타나는 돌연변이를 가능한 많이 찾아내는 것이다. 한국인에서 집중적으로 검사해야할 돌연변이 컨텐츠가 확보되면, 한국인에서 나타나지 않는 유전자 및 돌연변이 검사에 낭비되는 시간과 비용을 줄일 수 있다. 한국인 망막색소변성증 환자로부터 질병의 원인유전자와 돌연변이를 찾는 방법은 크게 두 가지로 나누어 볼 수 있다. 이미 알려진 돌연변이에 대한 빈도조사가 첫 번째 방법이고, 아직 알려지지 않은 돌연변이를 찾는 것이 두 번째 방법이다. 앞서 소개한 로돕신 유전자의 염기서열분석법이나, DNA 칩을 이용한 돌연변이 분석은 이미 알려진 원인유전자와 돌연변이가 한국인 환자들에게 얼마나 존재하는 지를 분석하는 방법이다. 아직 알려지지 않은 원인유전자와 돌연변이를 찾기 위한 방법에는 질환가계를 이용한 연쇄분석법(linkage analysis)과 차세대염기서열분석기술(next-generation sequencing)을 이용한 방법이 있다. 연쇄분석법은 Figure 3에서 보듯이 질환가계 안에서 질병과 함께 자손에게로 전달되는 염색체 영역을 찾아내는 방법이다. 이 방법은 인간의 염색체에 고루 분포되어 있는 미소부수체(microsatellite)나 단염기다형성(single nucleotide polymorphism; SNP) 마커를 사용하여 염색체에서 일어나는 재조합을 질병정보와 연관시켜 분석하게 된다.

  그러나 현대 사회의 가족구성이 이미 핵가족화 되어있는 점을 고려할 때, 다수의 세대로 구성된 질환가계를 모집하는 것이 매우 어려우며, 이점은 질환가계 연구에 있어서 가장 큰 어려움 중의 하나가 되었다. 보다 작은 규모의 질환가계에서는 종종 질병의 유전양식을 명확히 판별할 수 없기 때문에, 전통적인 연쇄분석법을 적용할 수 없는 경우가 많다. 특히, 가족력이 확인되지 않은 단독환자의 경우는 가족시료를 기반으로 하는 유전체분석법을 적용할 수 없으므로, 이미 알려진 질병원인 연변이에 대한 분석 외에는 원인유전자를 밝혀낼 다른 방법이 없었다. 다음에 소개할 차세대염기서열분석법은 이러한 문제들을 해결할 수 있는 장점을 지녔으며, 향후 망막색소변성증을 비롯한 다양한 유전질환의 원인유전자 및 돌연변이 발굴에 기여할 것으로 기대된다.
  최근에 인간의 유전체를 동시에 그리고 빠르게 분석할 수 있는 차세대염기서열분석법이 개발되어 많은 연구분야에서 괄목할만한 성과를 나타내고 있다. 특히 인간의 2-3만개 유전자의 엑손 영역만을 선별하여 집중적으로 분석할 수 있는 엑솜시퀀싱(exome sequencing) 방법은 질병유전체 연구에서 각광을 받고 있다(Figure 4). 기존의 연쇄분석법에 비하여 차세대염기서열분석법은 질환가계 시료 중 일부만을 분석해도 되기 때문에, 가계시료 수집에 들어가는 시간과 수고를 줄일 수 있다. 다만 대량으로 생산되는 유전체 데이터로부터 효과적으로 돌연변이를 분석해내기 위한 체계를 확립하는 것이 가장 큰 이슈로 대두되고 있다. 현재 질병관리본부 유전체센터에서도 차세대염기서열분석법을 이용한 망막색소변성증 돌연변이 발굴연구를 진행하고 있으며, 연구결과 발굴된 돌연변이 정보는 앞선 연구의 결과들과 함께 한국인에 적합한 망막색소변성증 진단칩 개발을 위한 돌연변이 컨텐츠로 사용될 예정이다.
                                 
망막색소변성증의 원인유전자를 찾기 위한 노력 외에도, 발병 메카니즘을 이해하기 위한 기능 연구(functional study)가 세계적으로 활발하게 진행되고 있다. 지금까지 보고된 대부분의 망막색소변성증 돌연변이가 막대세포의 사멸을 유발한다고 알려져 있었으나, 이것이 어떻게 원뿔세포의 사멸을 일으키는 지에 대해서는 잘 알려지지 않았다. 최근 발표된 논문을 보면 돌연변이에 의해 발생한 막대세포의 사멸은 시각세포층과 망막색소상피층(RPE)과의 상호작용을 감소시키고, 이로 인해 원뿔세포가 망막색소상피층으로부터 영양분을 공급받는데 문제가 생김으로써 원뿔세포의 사멸이 일어나는 것으로 보고하였다(Figure 5) [7].
  최근 망막색소변성증과 유사한 유전성 망막질환인 레버씨흑색병(Leber's congenital amaurosis) 환자에 대한 유전자치료가 성공을 거두면서 유전성 망막질환에 대한 유전자치료가 각광을 받고 있다[8-10]. 망막질환이 유전자치료에 적합한 질환으로 부각되는 이유는 망막이 인간의 신경조직 중에서 유일하게 외부에서 관찰이 가능한 조직(뇌의 일부)으로, 재조합유전자를 망막에 주입하기 쉬운 접근로를 제공하기 때문이다. 더불어 유전자치료 결과를 시력측정(기능적 결과)이나 빛간섭단층촬영(해부학적 결과) 등을 통해 쉽게 확인할 수 있다는 점도 장점으로 작용한다. 아직까지 인간에서의 망막색소변성증 유전자치료 및 임상연구의 성공사례는 없지만, 최근 질환동물모델을 이용한 유전자치료는 성공적인 것으로 보고되었다[11]. 정확하고 효과적인 유전자 치료를 위해서는 병의 원인이 되는 유전자의 돌연변이를 정확하고 빠르게 발견할 수 있어야 하며, 해당 유전자의 발현 및 병리학적 메카니즘에 대한 연구가 선행되어야 할 것이다.

Ⅲ. 맺는 말

  지금까지 망막색소변성증의 원인유전자로 보고된 유전자의 수는 최소한 40개 이상이며, 이들 유전자로부터 발견된 질병관련 돌연변이의 수는 수천백 개를 넘어가고 있다. 더불어 아직 밝혀지지 않은 원인유전자와 돌연변이의 수를 감안하면, 망막색소변성증 환자로부터 질병의 원인 유전자를 판별하는 일은 결코 수월한 작업이 아니다. 현재 외국의 일부 기업에서 망막색소변성증의 유전자검사를 위한 DNA 칩 분석서비스를 제공하고 있으나, 분석대상이 일부 유전자와 돌연변이에 한정되어 있어서 유전적 배경이 다양한 환자들에게 모두 적용하는 데는 한계가 있다. 다양한 인종에 적용 가능한 DNA 칩을 제작하려면, 모든 인종에서 질환과 관련된 돌연변이를 발굴한 후 진단칩을 제작해야 하는데, 이는 현실적으로 매우 어렵다. 따라서 적어도 한국인에게 적합한 망막색소변성증 진단체계를 구축하려면, 우선 한국인 환자에서 빈발하는 원인유전자를 찾는 작업과 더불어 외국에서 보고된 질환관련 돌연변이들이 한국인에서도 유효한지를 검증하는 작업이 지속되어야 한다. 망막색소변성증의 효율적인 진단시스템 구축에 머무르지 않고 효과적인 유전자치료법을 개발하기 위해서는, 발굴한 원인유전자의 변이들이 시각세포와 망막에 미치는 영향을 연구하는 과정이 수반되어야 한다. 이러한 과정을 통하여 환자 개개인에 최적화된 치료 및 상담이 이루어질 수 있을 것으로 전망된다.
  정확한 치료와 상담의 전제는 환자가 가지고 있는 질병의 원인유전자를 정확히 판별해내는 것이다. 최근 분석기술의 발달로 유전자검사에 들어가는 비용과 시간이 점차 줄어들고 있는 추세이므로, 가까운 미래에 다양한 유전질환에 대한 유전자검사 서비스가 보편화 될 것으로 예측된다. 유전자검사의 보편화는 피검자에게 검사결과를 올바르게 설명해주는 유전상담의 보편화를 의미한다. 망막색소변성증과 같이 삶의 질에 큰 영향을 미치는 질환에 대한 유전자검사와 유전상담은 질환가계의 나머지 가족구성원에서의 질병의 조기발견을 가능케 하며, 적절한 조치를 통해 질환의 진행속도를 늦춤으로써 환자와 가족의 삶의 질 향상을 도모할 수 있을 것이다. 

Ⅳ. 참고문헌

1. Hartong DT, Berson EL, Dryja TP. Retinitis pigmentosa. Lancet 2006; 368:1795-809.
2. Kennan A, Aherne A, Humphries P. Light in retinitis pigmentosa. Trends Genet 2005; 21:103-110.
3. 희귀난치성질환 헬프라인/색소망막염. http://helpline.kdca.go.kr/ cdchelp/index.gst
4. Sullivan LS, Bowne SJ, Birch DG, et al. Prevalence of disease-causing mutations in families with autosomal dominant retinitis pigmentosa: an screen of known genes in 200 families. Invest Ophthalmol Vis Sci 2006; 47:3052-3064.
5. Lee SH, Yu HG, Seo JM, et al. Hereditary and clinical features of retinitis pigmentosa in Koreans. J Korean Med Sci 2010; 25:918-923.
6. Kim KJ, Kim C, Bok J, et al. Spectrum of rhodopsin mutations in Korean patients with retinitis pigmentosa. Mol Vis 2011; 17:844-853.
7. Bovolenta P, Cisneros E. Retinitis pigmentosa: cone photoreceptors starving to death. Nat Neurosci. 2009; 12:5-7.
8. Bainbridge JW, Smith AJ, Barker SS, et al. Effect of gene therapy on visual function in Leber's congenital amaurosis. N Engl J Med 2008; 358:2231-9.
9. Hauswirth WW, Aleman TS, Kaushal S, et al. Treatment of leber congenital amaurosis due to RPE65 mutations by ocular subretinal injection of adeno-associated virus gene vector: short-term results of a phase I trial. Hum Gene Ther 2008; 19:979-90.
10. Maguire AM, Simonelli F, Pierce EA, et al. Safety and efficacy of gene transfer for Leber's congenital amaurosis. N Engl J Med 2008; 358:2240-8.
11. Busskamp V, Duebel J, Balya D, et al. Genetic reactivation of cone photoreceptors restores visual responses in retinitis pigmentosa. Science 2010; 329:413-417.